基于行人保护的轿车前部结构优化研究

基于行人保护的轿车前部结构优化研究

于秀涛（指导老师）宋志阳

关键词：行人保护薄壁吸能结构优化

1引言

1.1研究的背景和意义

据2018年3月世界卫生组织的道路交通伤害实况报道，每年全世界超过125万人的人生因道路交通事故而终止。全世界道路交通死亡者中约有一半是“弱势道路使用者”，即行人、骑车者和摩托车手。还有2000万至5000万人受到非致命伤害，其中许多因此而残疾。

新通过的《2030年可持续发展议程》确定了到2020年将全球道路交通碰撞死亡和伤害数量减半的宏伟目标。不安全车辆是其中一项重要影响因素，安全的车辆在避免碰撞和减少重伤可能性方面可以发挥关键作用。

本文研究的意义在于优化轿车前部结构，减小道路交通行人伤害给国家和家庭经济造成沉重负担，因此关系到可持续发展目标所涉及的更广泛的发展和环境议程。

1.2国内外研究现状

行人安全研究主要有行人头部保护和行人腿部保护两方面。对行人头部保护的研究内容有：人体头部与发动机罩盖接触的主要问题在于缓冲空间不足,罩盖下方的发动机及电池等几乎为刚性部件,其与头部接触将造成较为严重的伤害。因此罩盖设计需要保留充足的下方缓冲空间,使头部在加速度峰值不过高的前提下迅速减速,以合理的残余速度与罩盖下方硬点接触甚至不接触,且罩盖结构的刚度分布应尽量均匀；对行人腿部保护的研究内容有：保险杠系统由吸能件(保险杠横梁内)及结构支撑件组成,所形成的设计建议包括减小保险杠刚度(布置吸能结构以降低行人下肢的加速度峰值、将保险杠高度降至膝关节以下、设置“副保险杠”以降低膝关节弯曲角度、根据车辆类型布置前端吸能区域。

2人车碰撞分析

2.1交通事故中行人伤害分析

据世界卫生组织《道路安全全球现状报告2015¡·中世界不同类型道路使用者的道路交通死亡情况，车辆驾乘者所占死亡比例最高，为31%。骑摩托者、行人和骑自行车者分别占21%、22%、4%。行人在道路死亡者中占较大比例，所以从行人保护方面研究可减少道路交通事故。

在中国道路情况下，人口众多，且道路使用者混合，行人在交通事故中伤亡率较高，特别是行人受伤率与其他类型交通使用者受伤率相比最高。

2.2人车碰撞中行人与车体接触部位分析

在人车碰撞事故中，行人与车身前部接触占车体的67.10%，行人与车身两侧接触占车体的22.80%，行人与车身尾部接触占车体的7%，行人与其他部位接触占车体的3.10%。可见，行人与汽车接触位置最多的是汽车前部汽车前部对行人伤害起重要作用。

2.3人车碰撞中行人身体部位伤害分析

交通事故中对行人伤害部位分布最大的是头部，其次是腿部。头部伤害通常是由于头部与机盖或风窗框架碰撞引起的，而目前汽车发动机盖后部和风窗框架刚度高，这使行人与车发生碰撞时，行人头部伤害程度主要取决于不同硬度的机盖顶部和风挡边框。腿部的伤害大部分由车体前部接触所导致。车前的碰撞和碰撞后行人下肢的加速，行人腿部受到剪切力和弯曲力，从而导致长骨骨折·膝盖骨破碎及韧带拉伤等伤害。

2.4人车碰撞生物力学分析

当行人与车辆发生碰撞时，绝大多数情况为汽车从侧面撞击行人，此时行人可能处于静止或水平运动状态，而且行人行走速度一般为1.15~1.6m/s，奔跑速度一般为4.5~5.5m/s。汽车与行人碰撞时，与行人最初接触的部位是保险杠和发动机罩前边缘。保险杠与行人的小腿或膝部接触，发动机罩前边缘与行人的大腿或骨盆部位接触，接触的精确位置取决于行人与保险杠和发动机罩前边缘的相对高度。然后行人被撞倒，或者绕发动机罩前边缘转动，直到头、肩或胸、背撞击发动机罩、前风挡玻璃或风挡玻璃框。在较高的撞击速度下，行人可能绕头或肩继续翻转，腿部撞击汽车棚顶，从而行人以一个与车速相当的速度飞出。如果汽车紧急制动，行人将被车辆推向前方，并且在车辆前方倒地。如果碰撞速度很低，则行人仅接触到保险杠和发动机罩前边缘，然后倒地，不与发动机罩和前风挡玻璃碰撞。

3汽车前部结构优化方案

基于上一章对人车碰撞的分析，在某车型的基础上，对其结构进行优化。为了限制碰撞过程中胫骨加速度的峰值，从而避免骨折的伤害，车身保险杠必须具有足够的变形空间来吸收碰撞时的动能，为了前保险杠的美观，不改变汽车前部造型(汽车蒙皮和前横梁前端的空间不变),因此在蒙皮和前横梁加吸能装置，可以吸收更多的能量。

把车辆的纵向碰撞理想特性分为三个变形吸能区。汽车前端到防撞横梁前端为第一区段，这一区段车辆的变形及变形力值都比较小，以利于行人保护。从防撞横梁到悬架为第二区段，此区段变形力值均匀，即在中速碰撞过程中能量比较均匀地被吸收，尽量降低撞击加速度峰值。第一区段与第二区段变形力曲线走势相同，所以第一区段可根据第二区段的溃缩吸能进行吸能。

加装的吸能装置为薄壁吸能装置，因为薄壁金属成本低，吸能效率高，薄壁金属吸能结构通过塑性变形来耗散冲击动能，受冲击变形后远远超过传统结构的变形量。图3.1优化后前部俯视图

原车的前部结构，吸能盒为截面正六边形的铝制薄壁管，前横梁为截面双闭口的铝制梁。如图3.1所示，在前横梁前部焊接波形薄壁圆管和薄板以优化。在人车碰撞过程中，这种低速冲击波经薄板传递，被波形薄壁圆管均匀吸收，可以降低加速度峰值。

根据能量原理和牛顿第二定律计算：

E为小腿腿型冲击器动能，m为小腿腿型冲击器质量，a为小腿加速度，为有效吸能空间。

（3.1.5）

E1为波形薄壁圆管吸能量(E1，为优化后小腿加速度。

比较式（3.1.4）和式（3.1.5）在相同吸能空间下，以相同大小的小腿腿型冲击器动能撞击轿车前部时，。可见优化后可降低小腿角速度。

4结论

在欧洲新车安全评鉴协会（Euro-NCAP）评分中，下腿部与保险杠接触时小腿的加速度是评分标准之一，因此在优化中降低小腿加速度可提高被动安全。通过分析人车碰撞过程，利用薄壁吸能的特性，优化轿车前部结构，减轻腿部伤害。

参考文献

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